一种避雷器阻性电流在线监测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种避雷器阻性电流在线监测方法及装置，所述方法包括：采集氧化锌避雷器的三相电压和三相泄漏电流并送入模数转换电路转化为数字量；对数字量信号加四阶汉宁自乘窗处理并进行快速离散傅里叶变换得到信号的频谱；采用三谱线插值算法对信号的幅值、相位和频率进行修正；利用修正后的幅值、相位和频率求出校正后的基波和各次谐波，进而求出泄漏电流的阻性分量来判断避雷器的运行状态；本发明专利技术的优点在于：能够解决谐波分析中的频谱泄露和栅栏效应问题，从而提高氧化锌避雷器在线监测的可靠性。监测的可靠性。监测的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种避雷器阻性电流在线监测方法及装置


[0001]本专利技术涉及氧化锌避雷器在线监测
，更具体涉及一种避雷器阻性电流在线监测方法及装置。

技术介绍

[0002]氧化锌避雷器是电网的重要保护元件，其在长期运行过程中会出现材料老化、绝缘性能下降等情况，如果不能及时发现，将对电网的安全稳定运行造成巨大的威胁。而氧化锌避雷器的材料老化具体体现在泄漏电流的基波和高次谐波的阻性分量显著变化，因此对其泄漏电流阻性分量的精确检测与分析具有重要意义。
[0003]目前最常用的检测方法是采集电网电压和泄露电流之后，经谐波分析提取出基波和各次谐波参数，再计算出泄漏电流的阻性分量。而谐波分析最常用的方法是快速傅里叶变换，这种方法对硬件要求简单，易于在嵌入式系统中实现。但是由于电网基波频率存在着小范围波动，不是理想的50Hz，不能保证整周期采样从而产生频谱泄露，采样频率低时会出现频率混叠，并且在频域抽样离散化时，如果计算得到的频谱峰值点与实际峰值点不能准确重合，就会出现栅栏效应。频谱泄露、频率混叠以及栅栏效应会使得测量出的谐波幅值和相位产生较大偏差，由此反映出的避雷器泄露电流阻性分量数值不准确，造成避雷器运行状态的误判，可以通过选择合适的窗函数、设置合适的采样点数、采样频率、以及校正算法来减小上述情况的不利影响。
[0004]目前，国内外研究者已经设计出很多窗函数，主要包括Hanning窗、Blackman窗、Blackman
‑
Harris窗、Nuttall窗、Kaiser窗和各类组合余弦窗，此外，还有学者提出了自卷积窗以及自乘窗。这些窗函数具有主瓣宽度较窄，旁瓣电平低且衰减速率快等特性可以用来改善频谱泄露，插值修正是指用实际被测频率点附近的两条或者多条谱线信息来计算幅值和频率的修正值，从而校正得到实际被测频率点的幅值、频率、相位等参量。常用插值法有单谱线、双谱线、三谱线和四谱线插值。其中三谱线插值算法相对来说计算准确度较高以及计算速度适中而得到广泛使用。例如中国专利公开号CN110763930A，公开了一种基于布莱克曼双峰插值谐波分析法的避雷器阻性电流在线监测方法。是一种氧化锌避雷器(MOA)阻性电流在线监测，具体采用了基于布莱克曼双峰插值谐波分析法在信号非同步釆样下的对于频谱泄漏和栅栏效应的抑制。该专利申请是将从避雷器采样得到的电流信号和电压信号转换成数字信号，然后送入微处理器通过快速离散傅里叶变换，在频域中对信号进行分析，先选择合适的窗函数抑制信号长范围泄漏，再由窗函数的形式对信号的幅值、相位和频率进行插值修正。由于在电网电压下，避雷器泄漏电流应重点考虑它的幅值和相位精确度，无需精确计算频率参数，并且只需要计算基波和2、3、4、5、6、7次谐波参数，不需要计算高密度频谱参数，所以不需要过窄的主瓣宽度；又因为避雷器泄漏电流为窄带多频率信号，并且测量现场有较强的噪声干扰，所以要求旁瓣峰值电平低和衰减速率快。但是Blackman窗虽然主瓣宽度较窄，但是其旁瓣峰值较高，衰减速度较慢，从而应用在避雷器泄漏电流检测方面时对频谱泄漏的改善效果不好。此外该专利申请采用双谱线插值算法在峰值频率点附近
对泄漏谱线的信息运用不充分，计算精度比较差，可靠性不高。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于现有技术避雷器阻性电流在线监测方法对频谱泄漏的改善效果不好，对氧化锌避雷器在线监测的可靠性不高的问题。
[0006]本专利技术通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种避雷器阻性电流在线监测方法，所述方法包括：
[0007]步骤一：采集氧化锌避雷器的三相电压和三相泄漏电流并送入模数转换电路转化为数字量；
[0008]步骤二：对数字量信号加四阶汉宁自乘窗处理并进行快速离散傅里叶变换得到信号的频谱；
[0009]步骤三：采用三谱线插值算法对信号的幅值、相位和频率进行修正；
[0010]步骤四：利用修正后的幅值、相位和频率求出校正后的基波和各次谐波，进而求出泄漏电流的阻性分量来判断避雷器的运行状态。
[0011]本专利技术对数字量信号加四阶汉宁自乘窗处理，四阶汉宁自乘窗适当增加了主瓣宽度而换取旁瓣更低的电平和更快的衰减速度，对避雷器泄漏电流的检测与分析适配性较高，可以一定程度的减小栅栏效应并改善频率泄漏，另外，通过三谱线插值算法对信号的幅值、相位和频率进行修正，提高频率分辨率，计算精度高，可靠性强，从而进一步减小栅栏效应，整个方法能够解决氧化锌避雷器在线监测中的频谱泄露和栅栏效应问题并且能够提高在线监测的可靠性。
[0012]进一步地，所述步骤二包括：
[0013]四阶汉宁自乘窗的时域表达式为：
[0014][0015]其中，N是采样长度；
[0016]从氧化锌避雷器采集到的泄漏电流信号离散后的函数表达式为：
[0017][0018]其中，m为谐波次数，M为谐波总次数，f0为基波频率，f
s
为采样频率，A
m
为m次谐波的幅值，θ
m
为m次谐波的相位；将式(2)改用欧拉公式表示为：
[0019][0020]四阶汉宁自乘窗函数的时域形式为ω(n)，其离散频谱表达式为则对泄漏电流信号进行加窗并进行快速傅里叶变换再进行离散采样，得到表达式：
[0021][0022]其中，k为采样时间点数，k＝0、1、2
……
，Δf＝f
s
/N是离散频率间隔。
[0023]忽略负频率点处的旁瓣影响，(4)式变为：
[0024][0025]更进一步地，所述步骤三包括：
[0026]设基波f0＝k0Δf，使用峰值检测技术，检测k0真实谱线附近最大的谱线k2，记其左右最近的两条谱线为k1、k3，k2、k1、k3的幅值分别为y2＝|X(k2Δf)|、y1＝|X(k1Δf)|、y3＝|X(k3Δf)|且k2＝k1+1,k3＝k2+1
[0027]设第一辅助参数α＝k0‑
k2,α∈[
‑
0.5,0.5]ꢀꢀ
(6)
[0028]设第二辅助参数
[0029][0030]N较大时，β可化简为关于α的多项式，当余弦窗项数较少时可直接求出α＝g
‑1(β)，但当余弦窗项数较多时，可采用多项式逼近的方法来解出α＝g
‑1(β)。在matlab中使用polyfit函数进行多项式拟合逼近，由拟合公式polyfit(β,α,m)，求出第一辅助参数
[0031]α＝1.38888888
·
β
‑
0.10716678
·
β3+0.0165219
·
β5‑
0.00300526
·
β7ꢀꢀ
(8)
[0032]其中，m为多项式拟合最高阶数；
[0033]通过公式A＝(y1+2y2+y3)
·
g(α)/N
ꢀꢀ
(9)
[0034]对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于，所述方法包括：步骤一：采集氧化锌避雷器的三相电压和三相泄漏电流并送入模数转换电路转化为数字量；步骤二：对数字量信号加四阶汉宁自乘窗处理并进行快速离散傅里叶变换得到信号的频谱；步骤三：采用三谱线插值算法对信号的幅值、相位和频率进行修正；步骤四：利用修正后的幅值、相位和频率求出校正后的基波和各次谐波，进而求出泄漏电流的阻性分量来判断避雷器的运行状态。2.根据权利要求1所述的一种避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于，所述步骤二包括：四阶汉宁自乘窗的时域表达式为：其中，N是采样长度；从氧化锌避雷器采集到的泄漏电流信号离散后的函数表达式为：其中，m为谐波次数，M为谐波总次数，f0为基波频率，f
s
为采样频率，A
m
为m次谐波的幅值，θ
m
为m次谐波的相位；将式(2)改用欧拉公式表示为：四阶汉宁自乘窗函数的时域形式为ω(n)，其离散频谱表达式为则对泄漏电流信号进行加窗并进行快速傅里叶变换再进行离散采样，得到表达式：其中，k为采样时间点数，k＝0、1、2
……
，Δf＝f
s
/N是离散频率间隔；忽略负频率点处的旁瓣影响，(4)式变为：3.根据权利要求2所述的一种避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于，所述步骤三包括：设基波f0＝k0Δf，使用峰值检测技术，检测k0真实谱线附近最大的谱线k2，记其左右最近的两条谱线为k1、k3，k2、k1、k3的幅值分别为y2＝|X(k2Δf)|、y1＝|X(k1Δf)|、y3＝|X(k3Δf)|且k2＝k1+1,k3＝k2+1设第一辅助参数α＝k0‑
k2,α∈[
‑
0.5,0.5]
ꢀꢀꢀ
(6)
设第二辅助参数采用多项式逼近的方法求出α＝g
‑1(β)在matlab中使用polyfit函数进行多项式拟合逼近，根据多项式拟合公式polyfit(β,α,m)，求出第一辅助参数α＝1.38888888
·
β
‑
0.10716678
·
β3+0.0165219
·
β5‑
0.00300526
·
β7ꢀꢀꢀ
(8)其中，m为多项式拟合最高阶数；通过公式A＝(y1+2y2+y3)
·
g(α)/N
ꢀꢀꢀꢀ
(9)对信号的幅值进行修正，得到修正后的幅值，其中，通过公式θ＝arg[X(k2·
Δf)]+π/2
‑
π
·
α
ꢀꢀꢀꢀ
(11)对信号的相位进行修正，得到修正后的相位；通过公式f0＝(k2‑
1+α)
·
f
s
/N
ꢀꢀꢀꢀ
(12)对信号的频率进行修正，得到修正后的频率；在matlab中使用polyfit函数进行多项式拟合逼近，通过多项式拟合公式polyfit(α,g(α),m)求出幅值修正系数g(α)＝2.03174603+0.36840261
·
α2+0.03539348
·
α4+0.00246968
·
α6ꢀꢀꢀꢀ
(13)通过以上方法同样对各次谐波的幅值、相位和频率进行修正，则最终完成信号的基波和各次谐波的修正。4.根据权利要求3所述的一种避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于，所述步骤四包括：求出修正后的基波和各次谐波之后，求出全泄露电流基波与对应的参考电压基波之间的相位超前角，全泄露电流各次谐波与对应的参考电压谐波之间的相位超前角，利用全泄露电流基波峰值和对应的相位超前角，计算得出基波电流的阻性分量，利用全泄露电流各次谐波峰值和对应的相位超前角，计算得出各次谐波电流的阻性分量，以此来分析氧化锌避雷器的运行状态。5.根据权利要求4所述的一种避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于，所述步骤四还包括：对于基波，首先求出全泄露电流基波和参考电压基波之间的相位超前角然后通过公式求出阻性电流基波峰值，其中，I
x1p
为全泄露电流基波峰值。6.一种避雷器阻性电流在线监测装置，其特征在于，所述装置包...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄海宏，李佳钰，王海欣，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
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